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微电子学院科研团队在芯片级强磁场领域取得重要进展

近日，我校国家示范性微电子学院黄文教授以唯一第一作者的身份在国际著名刊物Science子刊 — Science Advances(科学进展)发表长篇研究型论文- “Monolithic mTesla Level Magnetic Induction by Self-Rolled-up Membrane Technology（基于自卷曲薄膜技术的单片毫特斯拉级磁感应）”，在国际上首次提出并验证了一种在芯片上获得毫特斯拉至特斯拉量级强磁场的平台性方法，并且该方法与常规半导体平面工艺技术完全兼容。此外，作为技术验证，论文中展示了基于这个平台实现的电感量高达微亨量级、最大工作频率超过500MHz的单片功率电感器，其体积仅为相同电感量片外功率电感器的数百分之一，其示意图如图1所示。由于这项工作对包括微电子学、生物学及电磁学在内的许多科学工程研究领域都具有潜在的重要应用价值，得到了国际微电子及材料学领域权威专家的高度评价。

 

该成果提出了两个重要的集成电路技术突破。其一是实现了片上高密度三维线圈，如图2(A)所示；其二是利用毛细效应实现了磁流体芯的集成, 如图2(B)所示。 图2(A)是实际制作的片上功率电感器的扫描电子显微镜照片，其中的插图展示了多圈空芯的结构特征。这个结构是由芯片上长度高达厘米量级，厚度近200纳米铜薄膜，以高达近1毫米每分钟的卷曲速度从单侧向另一侧自行卷曲组装而成，其内径仅为140微米。由于圈数的增加对占用芯片面积增加的影响很小，因此极易形成类似于片外功率电感器那样的高密度线圈。图2(B)是磁流体集成到空芯结构操作过程的截图，图中以氧化铁纳米颗粒为导磁材料的磁流体已经被快速吸入高密度线圈的中空结构里。由于磁流体的特殊性质，这种磁流体芯的功率电感器工作频率比相同电感量片外功率电感器高几十上百倍，并且磁芯可重构。图2(C)是自卷曲功率电感器与一美分硬币(基本相当于一角人民币硬币大小)的对比，可见自卷曲功率电感器比一颗芝麻还小，肉眼很难识别。图2(D)展示了实际制作在蓝宝石衬底上的自卷曲功率电感器阵列。仅作为验证器件，这个平台技术已经表现出对实现高频功率微系统的重要意义。这一强磁场片上平台在物理、化学、生物学和电磁学等多个领域还有巨大的潜在应用价值。

 

图2 三维自卷曲磁流体芯功率电感器实物。A.样品的扫描电子显微镜照片；B.磁流体芯集成过程的光学显微镜照片；C.与一美分硬币的大小对比；D.在蓝宝石衬底上的三维自卷曲磁流体芯功率电感器阵列手机拍摄照片。

黄文教授作为该项工作的牵头人，联合了全球多家著名高校科研团队共22名研究人员参与研究，包括美国伊利诺伊大学香槟分校、美国斯坦福大学及荷兰特温特大学等共7家署名单位。其中，合肥工业大学微电子学院为国内排名1、总排名第2的署名单位。黄文教授团队桑磊副教授及电物学院研究生於皓天参与了此项工作。该项工作受到了中国自然科学基金、合肥工业大学“黄山学者”特聘教授计划、美国自然科学基金及美国能源部基金的资助。

黄文教授博士毕业于美国伊利诺伊大学香槟分校，现受聘为合肥工业大学“黄山学者”特聘教授，在我校国家示范性微电子学院开展折叠薄膜纳米电子技术方向的研究，主要应用于微波/功率芯片和微系统上，在该研究领域取得了一系列系统性研究成果，目前在国际顶级刊物以第一作者或主要合作者身份便已经发表论文9篇，包括Science封面论文1篇、Science Advances论文1篇、Nature Electronics 论文2篇（其中1篇为当期网站封面论文）、Nature Materials封面论文1篇、National Science Review论文1篇、Nano Letters论文3篇；已获得美国发明专利授权7项；并参与编写即将由Wiley出版社出版的该领域专著1本。